EP1706597A1 - Strömungsmaschine mit einem axial verschiebbaren rotor - Google Patents

Strömungsmaschine mit einem axial verschiebbaren rotor

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EP1706597A1
EP1706597A1 EP05701049A EP05701049A EP1706597A1 EP 1706597 A1 EP1706597 A1 EP 1706597A1 EP 05701049 A EP05701049 A EP 05701049A EP 05701049 A EP05701049 A EP 05701049A EP 1706597 A1 EP1706597 A1 EP 1706597A1
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EP
European Patent Office
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rotor
guide
guide surface
ring
compressor
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EP05701049A
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English (en)
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EP1706597B1 (de
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Bernd STÖCKER
Arnd Reichert
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/22—Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/052—Axially shiftable rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/161—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/164—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps of an axial flow wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/312—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being parallel to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/314—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being inclined in relation to each other

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular an axially flow-through compressor for a gas turbine, according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbines coupled to generators are used to convert fossil energy into electrical energy.
  • a gas turbine has a compressor, a combustion chamber and a turbine unit along its rotor shaft. When the gas turbine is operating, the compressor sucks in ambient air
  • -20th guide vanes direct the working medium onto the rotor blades attached to the rotor, so that they set the rotor in a rotating movement.
  • the rotational energy absorbed in this way is then converted into electrical energy by the generator coupled to the rotor. It is also used to drive the compressor.
  • Guide blades and blades are arranged one behind the other.
  • the guide vanes are fixed on the head side in a fastening ring encompassing the rotor, and the rotor blades are each equipped with shrouds which form a shroud ring on the head side, which lies opposite the housing with the formation of a radial gap.
  • the radial gaps run parallel to the axis of rotation.
  • the object of the present invention is to provide a turbomachine with an axially displaceable rotor, the flow losses of which are at least not increased when the rotor is axially displaced.
  • the solution to the problem provides that the dimension of each radial gap between the end of each free-standing rotor and guide vane and the opposite axial section of the boundary surface is at least constant over the displacement path of the rotor and the radial gap runs parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • the solution is based on the knowledge that the flow losses when the rotor is displaced are not increased if the radial gap between fixed and rotating components remains constant over the displacement path of the rotor.
  • the components forming the radial gap such as the end of a rotor or guide vane and the boundary or guide surface opposite it, are formed in the flow channel parallel to the rotor axis of rotation.
  • the rotor is displaced in the axial direction, there remains the dimension of each radial gap is constant. This is particularly advantageous for a flow channel of a compressor in a gas turbine.
  • the outer guide surface for the flow medium is at least partially formed by the upper side of the platforms of the guide vanes, which faces the guide profile. This ensures that the flow medium is guided from the platforms of the guide vanes.
  • the inner guide surface is at least partially formed by the top of the platforms of the moving blades, which faces the running profile.
  • the flow medium is guided by the inner guide surface. 25 If the upper sides of the platforms If the rotor blades or guide vanes are inclined in the axial direction with respect to the direction of displacement, then the necessary tapering of the flow channel takes place in the axial direction at the fixed ends of the rotor blades or 30 guide vanes Rotor would change.
  • the inner guide surface is cylindrical and the outer guide surface is inclined, in particular conically, to the axis of rotation runs.
  • the change in the flow cross-section of the flow channel necessary for the turbomachine takes place for the sub-section under consideration, ie for the guide vane ring, thus in each case only on the boundary side of the flow channel on which there are no radial gaps.
  • Rotor blade ring in which in the axial sections in which running profiles are arranged, the outer guide surface is cylindrical and the inner guide surface is inclined, in particular conical, to the axis of rotation.
  • An inclined guide surface is understood to mean that the guide surface deviating from the cylindrical shape forms the cross section of the flow channel in the axial direction diverging or converging.
  • both the inner and for the outer guide surface each have a “wave-shaped” contour course in the axial direction, that is to say in the axial direction, inclined and cylindrical contours of the guide surfaces alternate, within a partial section a cylindrical contour is opposed to an inclined contour and vice versa, which leads to a mutual change of the inner and outer guide surfaces of the flow channel.
  • the embodiment in which the outer guide surface and the section of the guide surface which extends in the axial direction and which faces the free ends of the rotor blade of a rotor blade ring is particularly advantageous by means of a guide ring.
  • a simple and inexpensive configuration is thus possible.
  • the turbomachine is particularly advantageously designed as an axially flow-through compressor of a gas turbine.
  • the axial displacement of the rotor against the flow direction of the flow medium leads to smaller and more efficient radial gaps in the turbine unit, whereas the radial gaps in the compressor remain constant. Flow losses in the compressor are thus kept constant despite the displacement of the common rotor. In general, this leads to a further increase in power output compared to that of the prior art.
  • FIG. 3 shows the contour of the flow channel according to FIG. 2 with an axially displaced rotor
  • Fig. 4 shows the contour of a flow channel of the further compressor.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 1 in a partial longitudinal section. Inside, it has a rotor 3, which is rotatably mounted about an axis of rotation 2 and is also referred to as a turbine rotor or rotor shaft. Along the rotor 3, a suction housing 4, a compressor 5, a toroidal ring combustion chamber 6 with several coaxially arranged burners 7, a turbine unit 8 and the exhaust gas housing 9 follow one another 6 tapered in cross section. At the combustion chamber exit of the compressor ters 5, a diffuser 11 is arranged, which is in flow communication with the annular combustion chamber 6. The annular combustion chamber 6 forms a combustion chamber 12 for a mixture of a fuel and compressed air. A hot gas duct 13 arranged in the turbine unit 8 is in flow connection with the combustion chamber 12, the exhaust gas housing 9 being arranged downstream of the hot gas duct 13.
  • Blade rings are each arranged in the compressor duct 10 and in the hot gas duct 13. Alternately, a guide vane ring 15 formed from guide vanes 14 is followed in each case by a rotor vane ring 17 formed from rotor blades 16.
  • the stationary guide vanes 14 are connected to one or more guide vane carriers 18, whereas the rotor blades 16 are fastened to the rotor 3 by means of a disk 19.
  • the turbine unit 8 has a conically widening hot gas channel 13, the outer guide surface 21 of which widens concentrically in the flow direction of the working fluid 20.
  • the inner guide surface 22 is oriented essentially parallel to the axis of rotation 2 of the rotor 3.
  • the blades 16 have abrading edges 29 at their free ends which, together with the outer guide surfaces 21 opposite them, form a radial gap 23.
  • air is sucked in by the compressor 5 through the intake housing 4 and compressed in the compressor duct 10.
  • the air L provided at the burner end of the compressor 5 is guided through the diffuser 11 to the burners 7 and mixed there with a fuel.
  • the mixture is then burned in the combustion chamber 10 to form the working fluid 20.
  • the working fluid 20 flows into the hot gas duct 13.
  • the working fluid 20 relaxes in a pulse-transmitting manner on the rotor blades 16 arranged in the turbine unit 8, so that the rotor 3 is driven and with it a working machine (not shown) coupled to it.
  • An inlet-side compressor bearing 32 serves, in addition to the axial and radial bearings, as an adjusting device for shifting the rotor.
  • the rotor 2 In order to increase the power 5 of the gas turbine 1, the rotor 2 is shifted in the stationary state from an initial position into a stationary operating position against the flow direction of the working fluid 20, to the left in FIG. 1. As a result, the radial gap 23 formed in the turbine unit 8 by rotor blades 16 and the outer guide surface 21 is reduced. This leads to a reduction in the flow losses in the turbine unit 8 and thus to an increase in the efficiency of the gas turbine 1.
  • FIG. 2 shows a section of the annular channel of the compressor 5 15 with two rotor blade rings 17 and with a guide blade ring 15 lying in between.
  • the ring channel is designed as a flow channel 24 for the flow medium 26 air.
  • the outer guide surface 21 in FIGS. 2 and 3 is identical with the outer boundary surface 37 and the inner ___20 guide surface 22 with the inner boundary surface 36.
  • each blade 16 has a platform 25 at its fixed end, the surfaces of which delimit the compressor duct 10 inwards.
  • each guide vane 14 has a platform 25 at its fixed end, which limits the compressor duct 10 to the outside.
  • a running profile 27 extends into the compressor duct 10, which compresses the 35 air L during operation of the compressor 5.
  • the free ends of the running or guide profiles 27, 28, which lie opposite the ends on the platform side, are designed as brushing edges 29 and are underneath Formation of the radial gap 23 opposite guide rings 30 each.
  • Seen in the axial direction is in a section, i.e. H. the axial length of a blade ring including a displacement path V explained later, the radial gap 23 each aligned parallel to the axis of rotation 2, i.e. the guide ring 30 and the rubbing edge 29 extend cylindrically to the axis of rotation 2.
  • the platforms 25 arranged in the section are each for
  • Axis of rotation 2 of the rotor 3 is inclined, so that when viewed in the axial direction there is a tapering of the flow channel 24.
  • the result is a cylindrical contour of the flow channel 24 in the areas of the radially opposite fixed and rotating components, which, viewed in the axial direction, lie in sections and radial direction inside or outside the guide or running profiles.
  • both the outer guide surface 21 and the inner guide surface 22 alternately cylindrical and inclined to the axis of rotation 2 of the rotor 3, wherein the cylindrical guide surface 21, 22, viewed in the radial direction of the rotor 3, is opposite an inclined guide surface 21, 22.
  • the rotor 3 is shifted into its stationary operating position in relation to the rotationally fixed components of the gas turbine 1 against the direction of flow of the flow medium 26.
  • its starting position is indicated in dashed lines.
  • the guide ring 30 and the rubbing edge 29 are formed parallel to the axis of rotation 2 of the rotor over the axial length of a section A.
  • the section A is composed of the axial length of the brushing edges 29 and the axial displacement path V.
  • each guide vane 14 has a second platform 31 at its end facing the rotor 3.
  • the further platforms 31 of the guide vanes 14 of the guide vane ring 15 form a ring encompassing the rotor 3.
  • the surfaces of the further platforms 31 facing the guide profile 28 form the inner guide surface 22 for the flow medium 26.
  • a rear side 34 of the platform 31, 34 facing away from the guide surfaces 22 is opposite a boundary surface 36.
  • the radial gap 23, which runs parallel to the axis of rotation 2, is formed between the rear 34 of the platform 31 and the boundary surface 36.
  • the blades 16 are attached to the disks 19 of the rotor 3.
  • the blades 16 have platforms 25 between the tread 27 and the disk 19, the surfaces of which are facing the tread 27. They are designed as inner guide surfaces 22 and at the same time as boundary surfaces 36 for the compressor duct 10 and delimit the flow duct 24.
  • Each running profile 27 has further platforms 31 at their free ends, the surface of which facing the running profile 27 forms the flow duct 24 as inner guide surfaces 22.
  • the further platforms 31 each have a circumferential surface on their rear side 34 opposite the guide surface 21, 22, which lies opposite the boundary surface 36 of the ring channel 10.
  • the radial gap 23 is formed between the inner boundary surface 36 and the inner guide surface 22 and, viewed in the axial direction, runs parallel to the axis of rotation 2 of the rotor 3.
  • a labyrinth seal 38 is arranged in the radial gap 23, which prevents flow losses in the flow medium 26. If further platforms 31 are provided at the ends of the guide vanes 14 or rotor blades 16, the guide surfaces 21, 22 no longer have to be cylindrical in relation to the axis of rotation 2, since they do not limit the radial gap 23. Only the rear side 34 of the further platforms 31 uss can be cylindrically shaped here, so that the radial gap 23 remains constant when the rotor 3 is displaced.
  • a flow channel 24 is conceivable, in which guide vanes 16 with further platforms 31 form a guide vane ring 15, which is followed by a moving vane ring 17 with free-standing moving blades 16.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen axial durchströmten Verdichter (5) für eine Gasturbine (1) mit einem axial verschiebbaren Rotor (3). Zwischen einer drehfesten äußeren Begrenzungsfläche (37) und einer am Rotor (3) angeordneten inneren Begrenzungsfläche (36) formt sich ein ringförmiger in Axialrichtung verjüngender Strömungskanal (24), in dem mindestens ein feststehender Kranz (15) aus Leitprofilen (28) und in dem mindestens ein Kranz (17) aus am Rotor befestigten Laufprofilen (27) angeordnet ist. Das Ende jeder Lauf- bzw. Leitschaufel (14, 16) liegt jeweils einem axialen Abschnitt (A) einer der beiden Begrenzungsflächen (36, 37) unter Bildung eines Radialspaltes (23) gegenüber. Um eine Strömungsmaschine mit einem axial verschiebbaren Rotor anzugeben, deren Strömungsverluste bei einer axialen Verschiebung des Rotors zumindest nicht vergrößert werden, wird vorgeschlagen, dass das Maß jedes Radialspaltes (23) zwischen dem Ende einer jeden Lauf- bzw. Leitschaufel (14, 16) und dem gegenüberliegenden axialen Abschnitt (A) der Begrenzungsfläche (36, 37) mindestens über den Verschiebeweg des Rotors (3) konstant ist und der Radialspalt (23) parallel zur Drehachse (2) des Rotors (3) verläuft.

Description

Beschreibung
STRÖMUNGSMASCHINE MIT EINEM AXIAL VERSCHIEBBAREN ROTOR 5 Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen axial durchströmten Verdichter für eine Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
10 An Generatoren angekoppelte Gasturbinen werden zur Umwandlung von fossiler Energie in elektrische Energie eingesetzt. Eine Gasturbine weist dazu entlang ihrer Rotorwelle einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbineneinheit auf. Beim Betrieb der Gasturbine saugt der Verdichter Umgebungsluft an
15 und verdichtet diese. Anschließend wird die verdichtete Luft mit einem Brennmittel vermischt und der Brennkammer zugeführt. Dort verbrennt das Gemisch zu einem heißen Arbeitsmedium und strömt dann in die Turbineneinheit, in der Schaufeln vorgesehen sind. Die am Gehäuse der Turbineneinheit befestig-
-20—ten Leitschaufeln lenken dabei das Arbeitsmedium auf die am Rotor befestigten Laufschaufeln, so dass diese den Rotor in eine Drehbewegung versetzen. Die so aufgenommene Rotationsenergie wird dann durch den am Rotor angekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt. Ferner wird sie zum An- 25 trieb des Verdichters benutzt.
Aus der WO 00/28190 ist eine Gasturbine mit einem Verdichter bekannt, dessen Rotor zur Einstellung des Radialspaltes, welcher zwischen den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und dem 30 Innengehäuse gebildet ist, entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums verschoben wird. Dabei werden die Radialspalte der Turbineneinheit verkleinert, was zu einer wesentlichen Verringerung von Strömungsverlusten in der Turbineneinheit und somit zu einer Wirkungsgradsteigerung der Gasturbine 35 führt. Gleichzeitig werden jedoch die Radialspalte im Verdichter vergrößert, was die Strömungsverluste im Verdichter erhöht. Trotz der Verluste im Verdichter führt die Verschiebung des Rotors zu einer Leistungssteigerung der Gasturbine.
Des Weiteren offenbart die US 5,056,986 eine Gasturbine mit einem Verdichter, in dem alternierend Kränze aus
Leitschaufeln und Laufschaufeln hintereinander angeordnet sind. Die Leitschaufeln sind in einem den Rotor umgreifenden Befestigungsring kopfseitig festgelegt und die Laufschaufeln sind jeweils mit Deckbändern ausgestattet, die einen kopfseitigen Deckbandring bilden, welcher dem Gehäuse unter Bildung eines Radialspaltes gegenüberliegt. Die Radialspalte verlaufen dabei in paralleler Richtung zur Drehachse.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsma- schine mit einem axial verschiebbaren Rotor anzugeben, deren Strömungsverluste bei einer axialen Verschiebung des Rotors zumindest nicht vergrößert werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen, angegeben.
Die Lösung der Aufgabe sieht vor, dass das Maß jedes Radialspaltes zwischen dem Ende einer jeden freistehenden Lauf- und Leitschaufel und dem gegenüberliegenden axialen Abschnitt der Begrenzungsfläche mindestens über den Verschiebeweg des Rotors konstant ist und der Radialspalt parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Die Lösung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Strömungsverluste bei einer Verschiebung des Rotors nicht vergrößert werden, wenn der Radialspalt zwischen feststehenden und rotierenden Komponenten über den Verschiebeweg des Rotors konstant bleibt. Dazu sind im Strömungskanal die den Radialspalt formenden Komponenten, wie das Ende einer Lauf- bzw. Leitschaufel und der ihr gegenüberliegenden Begrenzungs- bzw. Führungsfläche, parallel zur Rotordrehachse ausgebildet. Bei einer Verschiebung des Rotors in Axialrichtung bleibt somit das Maß jedes Radialspaltes konstant. Dies ist insbesondere für einen Strömungskanal eines Verdichters einer Gasturbine von Vorteil.
5 Somit wurde sich von der bisherigen Einschränkung abgewendet, bei der der von den inneren und äußeren Führungsflächen gebildete axiale Konturverlauf eines Strömungskanals nach rein aerodynamischen Anforderungen ausgelegt und geformt wurde. Der erfindungsgemäße Strömungskanal wurde entsprechend 10 der neuen Anforderung - die Verschiebbarkeit des Rotors bei Einsatz einer freistehenden Beschaufelung - nun gestaltet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest teilweise die äußere Führungsfläche für das Strömungsmedium durch die 15 Oberseite der Plattformen der Leitschaufeln gebildet, die dem Leitprofil zugewandt ist. Hierdurch wird erreicht, dass das Strömungsmedium von den Plattformen der Leitschaufeln geführt wird.
"2"0 " " I'n "einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest teilweise die innere Führungsfläche durch die Oberseite der Plattformen der Laufschaufeln gebildet, die den Laufprofil zugewandt ist. Somit wird das Strömungsmedium von der inneren Führungsfläche geführt . 25 Wenn die Oberseiten der Plattformen der Lauf- bzw. Leitschaufeln in Axialrichtung gegenüber der Verschieberichtung geneigt sind, so erfolgt die nötige Verjüngung des Strömungskanals in Axialrichtung an den festen Enden der Lauf- bzw. 30 Leitschaufeln. An dieser Stelle ist kein Radialspalt vorhanden, dessen Maß sich aufgrund der Verschiebung des Rotors ändern würde.
Eine vorteilhaft Maßnahme schlägt vor, dass in den axialen 35 Teilabschnitten, in denen Leitprofile angeordnet sind, die innere Führungsfläche zylindrisch und die äußere Führungsfläche geneigt, insbesondere konisch, zur Drehachse verläuft. Die für die Strömungsmaschine notwendige Veränderung des Strömungsquerschnittes des Strömungskanals erfolgt für den betrachteten Teilabschnitt, d.h. für den Leitschaufelkranz, somit jeweils lediglich an der Begrenzungsseite des Strömungskanals, an dem keine Radialspalte existieren.
Gleiches gilt für die vorteilhafte Ausgestaltung eines
Laufschaufelkranzes, bei der in den axialen Teilabschnitten, in dem Laufprofile angeordnet sind, die äußere Führungsfläche zylindrisch und die innere Führungsfläche geneigt, insbesondere konisch, zur Drehachse verläuft. Dabei wird unter einer geneigten Führungsfläche verstanden, dass die von der zylindrischen Form abweichende Führungsfläche den Querschnitt des Strömungskanals in Axialrichtung divergierend oder konvergierend ausbildet.
Besonders bevorzugt ist die alternierende Aneinanderreihung von vorstehend ausgebildeten Leitschaufelkränzen undLaufschaufelkränzen, so dass sowohl die inneren als auch für die äußeren Führungsfläche jeweils einen in Axialrichtung „wellenförmigen" Konturverlauf aufweisen, d.h. in Axialrichtung wechseln sich geneigte und zylindrische Konturen der Führungsflächen ab, wobei innerhalb eines Teilabschnittes einer zylindrischen Kontur jeweils eine geneigte Kontur gegenüberliegt und umgekehrt. Dies führt zu jeweils zu einer wechselseitigen Änderung der inneren und äußeren Führungsflächen des Strömungskanals. Insbesondere wendet sich diese Ausgestaltung von der rein aerodynamischen Auslegung des Strömungskanals ab.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei der die äußere Führungsfläche und der sich in Axialrichtung erstreckende Abschnitt der Führungsfläche, der den freien Enden der Laufschaufel eines Laufschaufelkranzes gegenüberliegt, mittels eines Führungsringes gebildet wird. Somit ist eine einfache und kostengünstige Ausgestaltung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Strömungsmaschine als ein axial durchströmter Verdichter einer Gasturbine ausgebildet. Die Axialverschiebung des Rotors entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmediums führt in der Turbineneinheit zu sich verkleinernden und wirkungsgradsteigernden Radialspalten, wohingegen die Radialspalte im Verdichter konstant bleiben. Strömungsverluste im Verdichter werden somit trotz der Verschiebung des gemeinsamen Rotors konstant gehalten. Generell führt dies zu einer weiter gesteigerten Leistungsabgabe, verglichen mit der des Standes der Technik.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen die Figuren:
Fig. 1 Eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt,
Fig. 2 eine abschnittsweise zylindrische Kontur eines Strömungskanals eines Verdichters,
Fig. 3 die Kontur des Strömungskanals gemäß Fig. 2 mit einem axial verschobenen Rotor,
Fig. 4 die Kontur eines Strömungskanals des weiteren Verdichters.
Die Fig. 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Drehachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer oder Rotorwelle bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und das Abgasgehäuse 9. Im Verdichter 5 ist ein ringförmiger Verdichterkanal 10 vor gesehen, der sich in Richtung der Ringbrennkammer 6 im Querschnitt verjüngt. Am brennkammerseitigen Ausgang des Verdich- ters 5 ist ein Diffusor 11 angeordnet, der mit der Ringbrennkammer 6 in Strömungsverbindung steht. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 12 für ein Gemisch aus einem Brennmittel und verdichteter Luft. Ein in der Turbineneinheit 8 angeordneter Heißgaskanal 13 ist mit dem Verbrennungsraum 12 in Strömungsverbindung, wobei dem Heißgaskanal 13 das Abgasgehäuse 9 nachgeordnet ist.
Im Verdichterkanal 10 und im Heißgaskanal 13 sind jeweils Schaufelkränze angeordnet. Abwechselnd folgt einem aus Leitschaufeln 14 gebildeten Leitschaufelkranz 15 jeweils ein aus Laufschaufeln 16 gebildeter Laufschaufelkranz 17. Die feststehenden Leitschaufeln 14 sind dabei mit einem oder mehreren Leitschaufelträgern 18 verbunden, wohingegen die Laufschau- fein 16 mittels einer Scheibe 19 am Rotor 3 befestigt sind.
Die Turbineneinheit 8 weist einen sich konisch erweiternden Heißgaskanal 13 auf, dessen äußere Führungsfläche 21 sich konzentrisch in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids 20 erwei- tert. Die innere Führungsfläche 22 ist dagegen im wesentlichen parallel zur Drehachse 2 des Rotors 3 ausgerichtet. Die Laufschaufeln 16 weisen an ihren freien Enden Anstreifkanten 29 auf, die mit den ihr gegenüberliegenden äußeren Führungsflächen 21 einen Radialspalt 23 bildet.
Während des Betriebs der Gasturbine 1 wird vom Verdichter 5 durch das Ansauggehäuse 4 Luft angesaugt und im Verdichterkanal 10 verdichtet. Die am brennerseitigen Ende des Verdichters 5 bereitgestellt Luft L wird durch den Diffusor 11 zu den Brennern 7 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsfluids 20 im Verbrennungsraum 10 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsfluid 20 in den Heißgaskanal 13. An den in der Turbineneinheit 8 angeordneten Laufschaufeln 16 entspannt sich das Arbeitsfluid 20 impulsübertragend, so dass der Rotor 3 angetrieben wird und mit ihm eine an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) . Ein eintrittsseitiges Verdichterlager 32 dient neben der Axial- und Radiallagerung als Versteileinrichtung für eine Verschiebung des Rotors. Dabei wird zur Leistungssteigerung 5 der Gasturbine 1 der Rotor 2 im stationären Zustand von einer Ausgangslage in eine stationäre Betriebslage entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids 20, in Fig. 1 nach links, verschoben. Dadurch wird der in der Turbineneinheit 8 von Laufschaufeln 16 und der äußeren Führungsfläche 21 gebildete 10 Radialspalt 23 verkleinert. Dies führt zu einer Verminderung der Strömungsverluste in der Turbineneinheit 8 und somit zu einer Wirkungsgradsteigerung der Gasturbine 1.
In Fig. 2 ist ein Abschnitt des Ringkanals des Verdichters 5 15 mit zwei Laufschaufelkränzen 17 und mit einem dazwischenliegenden Leitschaufelkranz 15 dargestellt. Der Ringkanal ist dabei als Strömungskanal 24 für das Strömungsmedium 26 Luft ausgebildet. Die äußere Führungsfläche 21 ist in Fig. 2 und Fig. 3 mit der äußeren Begrenzungsfläche 37 und die innere ___20 --Führungsfläche 22 mit der inneren Begrenzungsfläche 36 identisch.
In Fig. 2 befindet sich der Rotor 3 in seiner Ausgangslage. Die Leitschaufeln 14 des Leitschaufelkranzes 15 sind an einer 25 außenliegenden Wand drehfest befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 16 an dem Rotor 3 des Verdichters 3 angeordnet sind. Jede Laufschaufel 16 weist an ihrem festen Ende jeweils eine Plattform 25 auf, deren Oberflächen den Verdichterkanal 10 nach innen begrenzen. Ebenso weist jede Leitschaufel 14 an 30 ihrem festen Ende eine Plattform 25 auf, die den Verdichterkanal 10 nach außen hin begrenzen. Von der Plattform 25 der Laufschaufei 16 (bzw. der Leitschaufel 14) aus erstreckt sich ein Laufprofil 27 (bzw. ein Leitprofil 28) in den Verdichterkanal 10 hinein, welches beim Betrieb des Verdichters 5 die 35 Luft L verdichtet. Die freien Enden der Lauf- bzw. Leitprofile 27, 28, welche den plattformseitigen Enden gegenüberliegen, sind als Anstreifkanten 29 ausgebildet und liegen unter Bildung des Radialspaltes 23 jeweils Führungsringen 30 gegenüber.
In Axialrichtung gesehen ist in einem Teilabschnitt, d. h. die axiale Länge eines Schaufelkranzes einschließlich eines später erläuterten Verschiebewegs V, der Radialspalt 23 jeweils parallel zu Drehachse 2 ausgerichtet, d.h. der Führungsring 30 und die Anstreifkante 29 erstrecken sich zylindrisch zur Drehachse 2. Die im Teilabschnitt angeordneten Plattformen 25 hingegen sind jeweils zur
Drehachse 2 des Rotors 3 geneigt, so dass in Axialrichtung betrachtet sich eine Verjüngung des Strömungskanals 24 ergibt. Es ergibt sich eine zylindrische Kontur des Strömungskanals 24 in den Bereichen der sich radial gegenüberliegenden feststehenden und rotierenden Komponenten, die in Axialrichtung gesehen abschnittsweise und Radialrichtung innerhalb bzw. außerhalb der Leit- bzw. Laufprofile liegen. Somit verläuft in Axialrichtung sowohl die äußere Führungsfläche 21 als auch innere Führungsfläche 22 abwechselnd zylindrisch und geneigt zur Drehachse 2 des Rotors 3, wobei der zylindrischen Führungsfläche 21, 22 jeweils in Radialrichtung des Rotors 3 betrachtet einer geneigten Führungsfläche 21, 22 gegenüberliegt.
In Fig. 3 ist der Rotor 3 gegenüber den drehfesten Komponenten der Gasturbine 1 entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmediums 26 in seine stationäre Betriebslage verschoben. Zum Vergleich ist seine Ausgangslage in gestrichelter Linienart angedeutet. Trotz der Verschiebung des Rotors 3 bleibt das Maß des Radialspaltes 23 konstant, so dass die Strömungsverluste im Verdichter 5 nicht vergrößert werden. Dazu ist über die axiale Länge eines Abschnitts A der Führungsring 30 und die Anstreifkante 29 parallel zur Drehachse 2 des Rotors ausgebildet. Der Abschnitt A setzt sich dabei aus der axialen Länge der Anstreifkanten 29 und dem axialen Verschiebeweg V zusammen. Verglichen mit der Lösung des Standes der Technik führt die neue Lösung zu einer weiteren Leistungssteigerung der Gasturbine 1, da mit der Verschiebung des Rotors 3 die im Verdichter 5 entstehenden Verluste konstant geblieben sind.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Strömungskanal 26 des Verdichters 3, bei dem jede Leitschaufel 14 an ihrem dem Rotor 3 zugewandten Ende jeweils eine zweite Plattform 31 aufweist. Die weiteren Plattformen 31 der Leitschaufeln 14 des Leitschaufelkranzes 15 bilden dabei einen den Rotor 3 umgreifenden Ring. Die dem Leitprofil 28 zugewandte Oberflächen der weiteren Plattformen 31 bilden für das Strömungsmedium 26 die innere Führungsfläche 22. Eine der Führungsflächen 22 abgewandte Rückseite 34 der Plattform 31, 34 liegt einer Begrenzungsfläche 36 gegenüber. Zwischen der Rückseite 34 der Plattform 31 und der Begrenzungsfläche 36 ist der zur Dreh- achse 2 parallel verlaufende Radialspalt 23 gebildet.
Die Laufschaufeln 16 sind an den Scheiben 19 des Rotors 3 befestigt. Dabei weisen die Laufschaufeln 16 zwischen dem Lauf- profil 27 und der Scheibe 19 Plattformen 25 auf, deren Ober- - flächen dem Laufprofil 27 zugewandt sind. Sie sind als innere Führungsflächen 22 und gleichzeitig als Begrenzungsflächen 36 für den Verdichterkanal 10 ausgebildet und begrenzen den Strömungskanal 24. Jedes Laufprofil 27 weist weitere Plattformen 31 an ihren freien Enden auf, deren dem Laufprofil 27 zugewandte Oberfläche als innere Führungsflächen 22 den Strömungskanal 24 formen. Die weiteren Plattformen 31 weisen an ihrer der Führungsfläche 21, 22 gegenüberliegenden Rückseite 34 jeweils eine Umfangsflache auf, die der Begrenzungsfläche 36 des Ringkanals 10 gegenüberliegt. Dadurch wird hier zwi- sehen der inneren Begrenzungsfläche 36 und der innere Führungsfläche 22 der Radialspalt 23 geformt, der in Axialrichtung gesehen parallel zur Drehachse 2 des Rotors 3 verläuft. Im Radialspalt 23 ist jeweils eine Labyrinthdichtung 38 angeordnet, die Strömungsverluste im Strömungsmedium 26 verhin- dert. Sind an den Enden der Leitschaufeln 14 bzw. Laufschaufeln 16 weitere Plattformen 31 vorgesehen, so müssen die Führungsflächen 21, 22 nicht mehr zylindrisch zur Drehachse 2 geformt sein, da nicht sie den Radialspalt 23 begrenzen. Nur die Rückseite 34 der weiteren Plattformen 31 uss hier zylindrisch geformt sein, damit bei der Verschiebung des Rotors 3 der Radialspalt 23 konstant bleibt.
Ferner ist ein Strömungskanal 24 denkbar, in dem Leitschau- fein 16 mit weiteren Plattformen 31 einen Leitschaufelkranz 15 bilden, dem ein Laufschaufelkranz 17 mit freistehenden Laufschaufeln 16 folgt.

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsmaschine, insbesondere ein axial durchströmter Verdichter (5) für eine Gasturbine (1) , mit einem axial verschiebbaren Rotor (3) und mit einem in einem Gehäuse vorgesehenen Ringkanal, der zwischen einer drehfesten äußeren Führungsfläche (21, 22) und einer am Rotor (3) angeordneten inneren Führungs- fläche (21, 22) einen ringförmigen sich in Axialrichtung verjüngenden Strömungskanal (24) bildet, mit mindestens einem im Ringkanal angeordneten feststehenden Kranz (15) aus Leitprofilen (28) und mit mindestens einem Kranz (17) aus am Rotor befestigten Laufprofi- len (27) , die sich jeweils zwischen einer Plattform (25) und einem der Plattform (25) gegenüberliegendem freistehendem Ende einer Lauf- bzw. Leitschaufel (14, 16) erstrecken, wobei das Ende jeder Lauf- und Leitschaufel (14, 16) jeweils einem axialen Abschnitt (A) einer der beiden Führungsfläche (21, 22) jeweils unter Bildung eines Radialspaltes (23) gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß jedes Radialspaltes (23) zwischen dem Ende einer jeden Lauf- bzw. Leitschaufel (14, 16) und dem gegenüberliegenden axialen Abschnitt (A) der Begrenzungsfläche (36, 37) mindestens über den Verschiebeweg des Rotors (3) konstant ist und der Radialspalt (23) parallel zur Drehachse (2) des Rotors (3) verläuft.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise die äußere Führungsfläche (21) durch die Oberseite der Plattformen (25) der Leitschaufeln (14) gebildet ist, die dem Leitprofil (28) zugewandt ist.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise die innere Führungsfläche (22) durch die Oberseite der Plattformen (25) der Laufschaufeln (16) gebildet ist, die dem Laufprofil (27) zugewandt ist.
4. Strömungsmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseiten der Plattformen (25) der Lauf- bzw. Leit- schaufeln (14, 16) in Axialrichtung gegenüber der Verschieberichtung V geneigt sind, so dass sich der Strömungskanal (24) in Axialrichtung verjüngt.
5. Strömungsmaschine nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Führungsfläche (21) in den axialen Teilabschnitten, in denen Leitprofile angeordnet sind, zylindrisch und die äußere Führungsfläche geneigt, insbesondere konisch, zur Drehachse verläuft.
6. Strömungsmaschine nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Führungsfläche (21) in den axialen Teilabschnitten, in dem Laufprofile angeordnet sind, zylindrisch und die innere Führungsfläche geneigt, insbesondere konisch, zur Drehachse verläuft.
7. Strömungsmaschine nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilabschnitte in Strömungsrichtung gesehen alternierend angeordnet sind.
8. Strömungsmaschine nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Führungsfläche (21) und der sich in Axialrichtung erstreckende Abschnitt A der äußeren Führungsfläche (21) , der den Enden der Laufschaufel (16) eines Laufschaufelkranzes (17) gegenüberliegt, mittels eines Füh- rungsrings (30) gebildet wird.
9. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine als ein axial durchströmter Verdichter (5) einer Gasturbine (1) ausgebildet ist.
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